基于SystemView的CDMA实验系统仿真.docx
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基于SystemView的CDMA实验系统仿真
本科毕业论文（设计）诚信声明
作者郑重声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。
对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。
本声明的法律结果由作者承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
年月日
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords2
前言3
1通信仿真软件SystemView6
1.1SystemView仿真软件的主要特点6
1.2SystemView系统图库8
1.3SystemView系统的操作9
1.4SystemView与MATLAB比较10
2直接序列扩频系统11
2.1扩频技术的理论基础11
2.2扩频通信的基本原理13
2.2.1扩频码序列与扩频15
2.2.2直序扩频系统的调制16
2.3直序扩频系统的仿真设计17
2.3.1直序扩频系统仿真18
2.3.2仿真结果20
2.3.3波形分析及结论21
3CDMA（码分多址）系统23
3.1CDMA系统的基本原理及特点23
3.1.1CDMA技术23
3.1.2CDMA系统的主要优点24
3.2IS-95标准的窄带CDMA系统24
3.2.1IS-95CDMA系统的下行链路25
3.3Q-CDMA下行链路基带系统的仿真设计28
3.3.1基站发送部分的仿真29
3.3.2移动台接收部分的仿真31
3.3.3仿真结果34
3.3.4波形分析及结论36
4混沌与扩频37
4.1混沌37
4.2基于混沌的扩频39
5结论40
参考文献41
致谢43
附录AQ-CDMA系统的相关参数44
附录B系统仿真上机演示图片46
基于SystemView的CDMA实验系统仿真
摘要
扩频通信具有抗干扰能力强、隐蔽性好、可以实现码分多址（CDMA）、抗衰落、抗多径干扰等许多独特的性能。
CDMA是一种基于扩频通信技术的多址接入方式。
它能够提供更大的容量，从而满足用户数量日益增长的需求。
目前，窄带CDMA（IS-95A）技术已趋成熟，设备已用于实际网络。
而实用的宽带CDMA（W-CDMA和cdma2000等）已成为第三代移动通信系统（3G）的首选方式，其标准已经完成，技术与设备正在开发和研制，使用网络即将投入商用。
本文研究了CDMA中最基本的扩频通信原理以及CDMA蜂窝通信系统的基本原理。
以SystemView为平台对扩频通信中最典型、最常用的直序（DS）扩频系统进行了仿真，实现了系统扩频和解扩功能。
接着对以IS-95为标准的Q-CDMA下行链路基带系统进行了仿真，该系统能够在接收端还原出正确的基站信息信号。
关键词
扩频通信；码分多址（CDMA）；SystemView;仿真；IS-95
SimulationofCDMASystembasedonSystemView
Abstract
SpreadSpectrumCommunicationwiththecharacterofstronganti-jammingandwellcoveredwhichcanimplementCDMAtechnique.CDMAisamultipleaccessme-thodbasedonthespreadspectrumcommunicationtechnology.Itcanprovideagreatercapacitytomeetthedemandforthegrowingnumberofusers.Atpresent,thenarrow-bandCDMA（IS-95A）technologyhasbecomematurity,equipmenthasbeenusedintheactualnetwork.AndpracticalbroadbandCDMA（W-CDMA,cdma2000,etc.）hasbecomethefirstchooseforthethirdgenerationmobilecommunicationsystem（3G）.It’sstandardshavebeencompleted.Technologyandequipmentisbeingdevelopingandstudying,anditspracticalnetworkisgoingtobeputintocommercialuse.
ThispaperstudiesthebasicprinciplesofspreadspectrumcommunicationinCDMAandthebasicprinciplesofCDMAcellularcommunicationsystem.First,thesimulationofDirectSequence（DS）SpreadSpectrumSystemwhichisthemosttypical
andcommonmethodofSpreadSpectrumCommunicationisdesignedbyusingSystemViewasplantform.Itcanimplementthefunctionsofspreadinganddespreadi-
ng.What’smore,asimulationofQ-CDMAdownlinkbase-bandsystembasedonIS-95isdesignedtoprovethatwecangetthecorrectbasestationinformationfromthereceiver.
Keywords
SpreadSpectrumCommunication;CodeDivisionMultipleAccess（CDMA）;SystemView;simulation;IS-95
前言
近10多年来，移动通信在世界范围内得到迅猛发展。
在我国，其发展速度更是超过人们的各种预测。
随着用户数量的急速增长，有限的频率资源更加紧张。
寻求一种在有限频带内可提供更大容量的无线通信技术是近年来移动通信领域中研究的一个焦点。
以扩频技术为基础的码分多址（CDMA）系统可提供更大的容量。
CDMA数字蜂窝通信系统按其所占用的频带宽度，可分为窄带CDMA（N-CDMA）和宽带CDMA（B-CDMA）系统。
窄带CDMA（IS-95A）技术已趋成熟，设备已用于实际网络。
宽带CDMA（UMTS和cdma2000等）已成为第三代移动通信系统（3G）的首选方式，其标准已完成，技术与设备正在开发与研制，实用网络即将投入商用。
我国对CDMA的技术研究、设备研制、系统开发、网络工程等正在广泛的范围内展开。
实际上，对CDMA的系统的研制开发已成为我国在移动通信领域赶上世界先进水平的契机。
第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司（Qualcomm）更新成为商用蜂窝电信技术，该公司的Q-CDMA数字蜂窝通信系统是目前已推向市场的第一个实用的CDMA商用数字移动通信系统。
1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。
全球许多国家和地区，包括中国及港澳地区、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。
在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。
在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。
在澳大利亚主办的第28届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。
据CDG（世界CDMA发展集团）统计，1996年底CDMA用户仅为100万；到1998年3月已迅速增长到1000万；截至1999年9月，用户数量已超过4000万。
2000年初全球CDMA移动电话用户的总数已突破5000万，在一年内用户数量增长率达到118%。
CDG表示，目前亚洲已经成为CDMA市场增长的主要动力。
中国于1995年开始在部分城市建设CDMA试验网络，截止到2008年2月CDMA用户已经达到2256万户。
目前，按照中国联通的发展计划，我国将建成世界上最大、最好的CDMA网络。
自20世纪80年代中期以来，蜂窝移动通信从第一代的模拟蜂窝移动通信系统（1G）发展到了第二代的数字蜂窝移动通信系统（2G），并正在向第三代数字蜂窝移动通信系统（3G）演进。
而多址接入方式是影响数字蜂窝移动通信网络结构极其关键的因素，目前的数字移动通信网的主要多址方式是FDMA、TDMA系统（GSM，DAMPS）。
在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限（最高9.6kbit/s）；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。
与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。
CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比（C／I）小于l，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。
这些属性使CDMA与其它系统相比有非常重要的优势。
对运营者来说，CDMA系统的大容量、大覆盖既可以提高频谱利用率，大大节约频率资源，又可以减少基站数量，降低工程建设成本，加快工程建设进度；并能以更经济的方式平滑过渡到第三代移动通信，是多快好省地解决本世纪移动通信市场发展容量需求的有效途径。
因此奠定了它在移动通信中的重要地位，被认为是非常具有实用价值的一项技术，使得研究CDMA技术成为移动通信从业人员的迫切需要。
本文研究了CDMA中最基本的扩频通信原理以及CDMA蜂窝通信系统的基本原理，以SystemView为平台对扩频应用中最典型、最常用的直序（DS）扩频系统进行了仿真，并对以IS-95为标准的Q-CDMA下行链路基带系统进行了仿真，以便大家对直扩码分多址系统有进一步的了解。
1通信仿真软件SystemView
电子设计自动化（EDA）技术已经从单纯的性能模拟仿真（Matlab）、系统元件级仿真（PSPICE）发展到系统级仿真,直至指导系统设计。
美国ELANIC公司开发的动态系统仿真设计软件将设计与仿真结合,功能、界面以及硬件接口远比其它EDA软件优越,特别适合于通信系统的开发、设计、模拟、调试、分析等。
1.1SystemView仿真软件的主要特点
SystemView是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发设计工具,它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统,可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。
SystemView设计仿真软件的接口框图如图1.1所示。
图1.1SystemView设计仿真软件接口框图
该系统可以方便设计各种滤波器,同时系统备有通信、逻辑、数字信号处理、射频/模拟、CDMA/PCS、DVD、自适应滤波器以及第三代无线移动通信系统等专业库,适合各种专业设计人员。
系统还支持外部数据的输入输出,支持用户编写代码（C++）,兼容Matlab软件,与其它仿真软件不同,该系统还提供与硬件设计工具的接口,支持Xilinx公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯片,能将系统的单个模块或整个系统生成FPGA或DSP芯片下载所需的数据文件,也就是说该系统将仿真、设计与硬件开发集成在一起。
在动态系统设计与仿真中,该系统支持多速率系统和并行系统,允许合并多种数据速率输入系统,简化滤波器的执行。
在设计结构上,支持TOP-DOWN设计方法,使用多层次模块化结构构成复杂系统。
每个
功能模块采用图标表示,SystemView的图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块,提供从DSP、通讯信号处理、控制直到构造通用数学模型的应用模块。
信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号,还提供外部处理的各种文件格式的输入/输出数据。
SystemView的操作符库包含一个功能强大的图形模板,提供设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境,包含大量的FIR/IIR滤波类型和FFT类型。
SystemView的人机界面主要有设计窗口和分析窗口。
分析窗口如图1.2所示，设计窗口如图1.3所示。
SystemView设计窗口用于系统的设计、构建,如全局参数连接、可变参数设计、与外部文件接口以及自动程序生成功能等,并可以与其它仿真工具接口;分析窗口用于观察系统运行的结果和对该结果进行的各种复杂的计算、分析和处理,是一个能够提供系统波形、详细检查的交互式可视环境。
图1.2SystemView的设计窗口
图1.3SystemView的分析窗口
1.2SystemView系统图库
SystemView的环境包括一套可以选择的能够增加核心库功能的用于特殊应用的库。
它允许通信、DSP、射频/模拟和逻辑应用。
⑴通信库
SystemView的通信库包含仿真一个完整的通讯系统必要的工具,这些函数包括:
基带脉冲整形、调制解调、信道模型、纠错编码译码等。
⑵DSP库
SystemView的DSP库能够在运行DSP芯片之前仿真DSP系统。
这个库支持大多数DSP芯片的算法模式。
例如乘法器、加法器、除法器和反相器的图标代表真正的DSP算法操作符。
还包括高级处理工具:
混合的RadixFFT、FIR和IIR滤波器等。
⑶逻辑库
SystemView逻辑库包括常用的数字通用逻辑器件的图标。
这些图标包括74系列器件功能图标和用户自己定义的图标。
⑷射频/模拟库
SystemView模拟库支持用于射频设计的关键的电子组件。
如混合器、放大器和功率分配器等。
⑸用户代码库
SystemView的用户代码库运行建立自己的SystemView图标库。
这些图标可以使用C或C++语言编写并且能够插入提供的模板。
这些模板可以使用任何商品的C或C++编译器编译。
1.3SystemView系统的操作
SystemView提供了一种可视化、动态的系统模式。
利用功能元件库中的图标来代表某一种处理过程,在SystemView系统窗口中完成系统或子系统的设计。
设计的过程便是在系统窗口中从不同的元件库中选择图标,并在设计区域中连接,同时设置每个图标的参数,控制系统的起始时间、中止时间、采样频率,最后从分析窗中分析结果,从而达到设计、分析系统的目的。
利用不同的元件便可组合搭接各种模拟、数字系统,对各类通信系统、数字信号系统、控制系统进行系
统的分析。
具体步骤如下:
⑴设计创建系统模型;
⑵安放信号源及其它元器件、函数模块,并进入参数设置菜单设置参数;
⑶连接器件,运行系统;
⑷系统的分析与设计修正;
⑸硬件模块生成。
单击系统窗“工具栏”中的“分析窗”按钮,进入分析窗即可分析波形、比较波形等。
根据分析,对设计的电路模型或参数进行修正。
1.4SystemView与MATLAB比较
MATLAB与SystemView在仿真方面各具优势,SystemView是用于电路与通信系统设计、仿真的动态系统分析专用的通信仿真软件,它能满足从信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统数学模型的建立等不同层次的设计与仿真的需要。
而MATLAB具有丰富的内置函数,强大的计算功能,以及高度灵活的可编程性,擅长于数据分析与处理,在仿真领域同样具有广泛的应用。
2直接序列扩频系统
2.1扩频技术的理论基础
扩频是要把待发送的信号扩展到一个很宽的频带上，然后再发送出去，系统的射频带宽远远超过了信号的速率，一般情况下为信号速率的100多倍。
扩频通信之所以用成百倍的带宽来传输信号，完全是基于著名的香农定理。
香农（shannon）定理指出:
在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为
（2.1）
式中，B为信道带宽；S为信号平均功率；N为噪声功率。
若白噪声的功率谱密度为n
噪声功率
，则信道容量C可表示为
（2.2）
由式（2.2）可以看出，B、n
、S确定后，信道容量C就确认了。
由shannon第二定理知，若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。
为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。
由shannon公式可以看出：
⑴要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。
增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。
由式（2.2）可知，B与C成正比，而C与S/N呈对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。
⑵信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统的信噪比S/N的要求;也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。
⑶当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。
由式（2.1）可知，信道容量C与信号带宽成正比，增加B，势必会增加C，但当B增加到一定程度后，C增加缓慢。
由式（2.2）知，随着B的增加，由于噪声功率
，因而N也要增加，从而信噪比S/N要下降，影响到C的增加。
考虑极限情况，这里令
来看C的极限，对式（2.2）两边取极限，有
（2.3）
考虑到极限
（2.4）
令
对式（2.3）有
故
（2.5）
由此可见，在信号功率S和噪声功率谱密度
一定时，信号容量C是有限的。
由上面的结论，可以推导出信息速率R达到极限信息速率，即
，且带宽
时，信道要求的最小信噪比
的值。
为码元能量，
由式（2.5）知
可得
（2.6）
由此可得信道要求的最小信噪比为
2.2扩频通信的基本原理
扩频通信是一种二次调制技术[1]，其基本原理如图2.1所示。
信息数据D先通过常规的载波调制变成带宽为
的信号，然后用扩频序列发生器产生的伪随机PseudoNoise,简称PN码序列作扩频调制，形成带宽为
（
>>
）、功率谱密度极低的扩频信号后再发射。
信息数据D也可先经伪随机码扩频，然后再经载波调制。
众多的通信用户使用各自不同的伪随机码，可以载同一频带内同时传输。
在接收端，须用与发送端相同的伪随机码作扩频解调处理，把宽带信号恢复成窄带信号（解扩），并用常规的信号处理方法解调出信息数据D。
显然，当接收端不知道发送端使用的伪随机码时，要进行解扩是非常难甚至是不可能的。
这样就实现了信息数据的保密通信。
当接收端采用对应的伪随机码接收某一扩频信号时，通信信道中其它的扩频信号在接收端的解扩相关处理器中无信号输出，不会对该扩频信号的解扩解调产生干扰。
这样，不同用户的接收端使用不同的伪随机码作解扩处理，就可得到相应的信息数据，实现多用户（或多址）通信。
图2.1扩频通信的基本原理
其中，扩频处理通常采用模2加的方法，即将信息码序列与扩频码序列作模2加运算得到频谱被扩展的信号，它与扩频码序列一样是速度比信息码序列高得多的高速率比特流，扩频的过程如图2.2所示。
在解扩处理中，用原来的扩频码序列与接收到的数据流进行模2加运算，从而恢复出原信息码序列。
解扩的过程如图2.3所示。
扩频和解扩的过程类似于扰码，关键是扩频与解扩使用的是同样的扩频码序列，解扩所需的扩频码序列由码元同步电路产生。
图2.2扩频处理示意图
图2.3解扩处理示意图
2.2.1扩频码序列与扩频
Shannon编码定理指出:
只要信息速率
小于信道容量C，则总可以找到某种编码方法，使在码字相当长的条件下，能够几乎无差错地从遭受到高斯白噪声干扰的信号中复制出原发送信息。
这里有两个条件:
一是
，二是编码字足够长。
Shannon在证明编码定理的时候，提出了用具有白噪声统计特性的信号来编码。
白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，它有极其优良的相关特性。
由于都无法实现对白噪声的放大、调制、检测、同步及控制，而只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码来近似它，并作为扩频系统的扩频码[2]。
扩频码也称为伪随机码或PN码，它是一串高码率的窄脉冲随机序列。
从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。
但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本。
工程上常用二元{0，1}序列来产生伪噪声码，伪随机序列具有貌似高斯噪声的性质，并且接近高斯随机变量[1]。
故它是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制。
它具有如下特点:
⑴每一周期内“0”和“1”出现的次数近似相等。
⑵每一周期内，长度为n比特的游程出现的次数比长度为n+1比特的游程出现的次数多一倍。
（游程是指相同码元的码元串）
⑶序列应具有良好的自相关性。
即
（2.7）
其中，
的大小可用来表征
与自身延迟后的
的相关性，故称为自相关函数。
式中
为信号的时间函数，为时间延迟。
需要说明的是，由自相关函数也可以看出扩频码序列的互相关性很弱，这也就是其它扩频码无法解扩出信号的原因。
2.2.2直序扩频系统的调制
直接序列扩频调制就是用高速率的伪噪声码序列（扩频码序列）与信息码序列模二加（波形相乘）的复合伪码序列去控制载波的相位（PSK）而获得直接序列扩频信号。
在数字载波通信中，被调制的载波一般都是正弦波，其参数即幅度、频率和相位3个，因此数字载波通信系统的调制方式有幅移键控（AmplitudeShiftKeying,ASK）、频移键控（FrequencyShiftKeying,FSK）、相移键控（PhaseShiftKeying,PSK）.在三种调制方式中,PSK的误码率最低[3]，抗干扰能力最强，故一般情况下，扩频系统均采用PSK调制。
设载波为
，伪码信号为
，则调制波为:
（2.8）
其中，A为载波幅度，
为载波的角频率。
如果作二进制相移键控（2PSK）调制时，则调相波可表示为：
（2.9）
式中
是已调相波相位的变化，
是调制系数（即对应载波的最大相移）。
在本系统实现所涉及到的二相调制中，
，
是二进制伪码序列。
若规定二进制序列中取“0”码时，
；取“1”码时，
，则有：
（2.10）
显然，这样一个调制信号可等效为一个只取士1的二值波形对载波进行的抑载波双边振幅调制信号，也就是平衡调制信号
（2.11）
式中
（2.12）
实际上直接序列扩频调制产生的2PSK信号就是式（2.10）的模式。
2.3直序扩频系统的仿真设计
扩频通信系统的基本工作
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